一种不平衡电网条件下的通用型模型预测优化控制方法与流程

本发明属于柔性直流输电系统的运行与控制技术领域，尤其涉及一种不平衡电网条件下的通用型模型预测优化控制方法。

背景技术：

三相pwm整流器接入不平衡电网时，交流侧电流易发生畸变，污染电网，降低电力电子装置的效率与可靠性。针对不平衡电网条件下的pwm整流器控制，现有方法主要包括两种，一是基于扩展功率理论的单矢量模型预测直接功率控制方法，二是基于扩展功率理论的双矢量模型预测直接功率控制方法。基于扩展功率理论的单矢量模型预测直接功率控制首先定义了一个成本函数，该成本函数通常是由有功误差的平方和新型无功误差的平方两者相加得来，其次通过采样当前时刻的电压、电流数据，计算当前时刻的有功和新型无功，然后依赖于实际系统模型，计算八个电压矢量在下一时刻的成本函数，选择其中最小的成本函数值所对应的电压矢量，发出相应的开关信号控制pwm整流器。该方法动态响应快，无需添加额外的功率补偿项，但是由于在一个控制周期内仅采用了一个开关矢量，有功纹波和新型无功纹波的误差较大。另外，该方法遍历计算了八个电压矢量所对应的成本函数，算法过程较为复杂，计算量大。基于扩展功率理论的双矢量模型预测直接功率控制方法在一个控制周期内采用了两个电压矢量，这两个电压矢量可以由一个非零电压矢量加上一个零电压矢量组成，也可由两个相邻非零电压矢量组成，这样的电压矢量组合总共包含了十二种。针对这十二种电压矢量组合中的每一种组合，首先需要计算当前组合中的两个电压矢量的有功斜率和无功斜率，并对成本函数求偏导，计算得到当前组合中的两个电压矢量的占空比，然后重新计算成本函数，得到当前组合所对应的成本函数。遍历十二次后，得到这十二种电压矢量组合所对应的成本函数，求出所有成本函数的最小值，及该最小值所对应的电压矢量组合及其占空比，最后发出相应开关信号控制pwm整流器。该方法的主要优点是，降低了有功纹波和无功纹波，但是该方法需要重复计算十二次占空比及成本函数，算法过程更为复杂，计算量进一步加大。

因此，有必要针对不平衡电网条件下的pwm整流器控制提出一种实现简单、复杂度低、计算量小，和控制精度高的方法。基于现有的方法，提出了一种不平衡电网条件下的通用型模型预测优化控制方法及系统，该方法是在扩展瞬时功率理论下提出了通用型模型预测优化控制方法及系统，并在此基础上优化了双矢量的选择与占空比计算过程，进一步降低了算法的复杂度与计算时间。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种不平衡电网条件下的通用型模型预测优化控制方法。

本发明系统的技术方案为一种不平衡电网条件下的通用型模型预测优化控制系统，其特征在于，包括：三相交流电网、三相滤波电感、三相电压传感器、三相电流传感器、直流电压传感器、主控制器、三相pwm整流器、直流侧电容、直流侧负载；

所述三相交流电网与所述三相电压传感器通过导线连接；所述三相交流电网与所述三相电流传感器通过导线连接；所述直流侧电容与所述直流电压传感器通过导线连接；所述主控制器分别与所述的三相电压传感器、三相电流传感器、直流电压传感器通过导线依次连接；所述的三相交流电网、三相滤波电感、三相pwm整流器、直流侧电容、直流侧负载依次串联连接；主控制器通过采样三相交流电网的电压和电流值，直流侧电容电压值，发出开关信号控制pwm整流器。

本发明方法的技术方案为一种不平衡电网条件下的通用型模型预测优化控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：采样三相电网电压、三相电网电流以及直流侧电容电压；

步骤2：主控制器利用clarke变换分别将三相电网电压、三相电网电流的abc坐标系转换到αβ坐标系下进行分析；

步骤3：基于扩展功率理论计算当前时刻的有功功率值和新型无功功率值；

步骤4：基于无差拍控制求出参考电压矢量；

步骤5：基于参考电压矢量确定第一备选的非零电压矢量、第二备选的非零电压矢量以及第一备选的零电压矢量，并计算第一备选的非零电压矢量占空比、第二备选的非零电压矢量占空比以及第一备选的零电压矢量占空比；

步骤6：基于第一备选的非零电压矢量及其占空比，第二备选的非零电压矢量及其占空比，第一备选的零电压矢量及其占空比确定第一作用的电压矢量，第二作用的电压矢量，并计算第一作用的电压矢量占空比以及第二作用的电压矢量占空比；

步骤7：基于第一作用的电压矢量和第二作用的电压矢量及其占空比发出开关信号控制pwm整流器。

作为优选，步骤1中所述三相电网电压为：

通过所述三相电压传感器采集所述三相电网电压；

a相电网电压为ea,b相电网电压为eb,c相电网电压为ec；

通过所述三相电流传感器采集所述三相电网电流；

步骤1中所述三相电网电流为：

a相电网电流为ia,b相电网电流为ib,c相电网电流为ic；

步骤1中所述直流侧电容电压为：

通过所述直流电压传感器采集所述直流侧电容电压；

直流侧电容电压为udc；

将所述的三相电网电压、三相电网电流以及直流侧电容电压传输至所述主控制器；

作为优选，步骤2中所述主控制器利用clarke变换将三相电网电压的abc坐标系转换到αβ坐标系下为：

步骤2中所述利用clarke变换将三相电网电流的abc坐标系转换到αβ坐标系下为：

其中，eα为三相电网电压对应到α轴上的电网电压值，eβ为三相电网电压对应到β轴上的电网电压值，iα是三相电网电流对应到α轴上的电网电流值，iβ是三相电网电流对应到β轴上的电网电流值；

将eα,eβ分别延时1/4个电网周期后得到e'α,e'β，即：

e'α＝eα(t-t/4)

e'β＝eβ(t-t/4)

其中，t是当前时间，t是电网的周期，e'α为延时后α轴上的电网电压值，e'β为延时后β轴上的电网电压值；

作为优选，步骤3中所述控制周期为ts；

步骤3中所述基于扩展功率理论计算当前时刻的有功功率值为：

计算出kts时刻的有功功率值p^k，即：

步骤3中所述基于扩展功率理论计算当前时刻的新型无功功率值为：

计算出kts时刻的新型无功功率值即：

其中，eα^k是eα在kts时刻的采样值，eβ^k是eβ在kts时刻的采样值，iα^k是iα在kts时刻的采样值，iβ^k是iβ在kts时刻的采样值，是e'α在kts时刻的采样值，是e'β在kts时刻的采样值；

作为优选，步骤4中所述基于无差拍控制求出参考电压矢量具体为：

假设在kts时刻，采用参考电压矢量作用条件下，(k+1)ts时刻的有功误差值和无功误差值为0，现将kts时刻的该参考电压矢量记为则有：

其中，p^ref是有功功率的参考值，是新型无功功率的参考值，l是所述三相滤波电感的电感值，r是所述三相滤波电感的寄生电阻值，ω是电网频率值，是对应到α轴上的电压值，是对应到β轴上的电压值；

作为优选，步骤5中所述基于参考电压矢量确定第一备选的非零电压矢量、第二备选的非零电压矢量以及第一备选的零电压矢量具体为：

三相两电平整流器共有6个开关，现在用(sa,sb,sc)代表a,b,c三相各桥臂的开关状态；

sa＝1时表示a相上管导通、下管关断，sa＝0时表示a相上管关断、下管导通；sb＝1时表示b相上管导通、下管关断，sb＝0时表示b相上管关断、下管导通；sc＝1时表示c相上管导通、下管关断，sc＝0时表示c相上管关断、下管导通；

三相两电平逆变器总共有8个电压矢量，即：

(sa,sb,sc)∈{(0,0,0),(1,0,0),(1,1,0),(0,1,0),(0,1,0),(0,1,1),(0,0,1),(1,0,1),(1,1,1)}；

步骤5中所述六个非零电压矢量记为：

v1＝(1,0,0),v2＝(1,1,0),v3＝(0,1,0),v4＝(0,1,1),v5＝(0,0,1),v6＝(1,0,1)；

步骤5中所述两个零电压矢量记为：

v0＝(0,0,0),v7＝(1,1,1)；

步骤5中首先判断vref^k所在扇区，具体判断公式为，

num＝floor(θ/(π/3))+1

其中，num为所在扇区编号，θ是与v1的逆时针夹角；

当位于第num个扇区时，第一备选的非零电压矢量为vnum；第二备选的非零电压矢量为vnum+1，若num+1等于7，此时选择第二备选的非零电压矢量为v1；第一备选的零电压矢量为v0；

步骤5中所述计算第一备选的非零电压矢量占空比、第二备选的非零电压矢量占空比以及第一备选的零电压矢量占空比，具体为：

计算vnum，vnum+1，v0的占空比，具体计算公式为，

d0＝1-dnum-dnum+1

其中γ是与vnum的夹角，dnum是vnum的占空比，dnum+1是vnum+1的占空比，d0是v0的占空比。

作为优选，步骤6中所述计算第一作用的电压矢量占空比以及第二作用的电压矢量占空比具体为：

计算vnum与vnum+1的占空比之和s1，vnum与v0的占空比之和s2，vnum+1与v0的占空比之和s3；

s1＝dnum+dnum+1

s2＝dnum+d0

s3＝dnum+1+d0

假设kts时刻第一作用的电压矢量为vm，第二作用的电压矢量为vn，且vm的占空比为d1，vn的占空比为d2。比较s1，s2和s3的值，求出s1，s2和s3的最大值，此时存在三种情况，分别是s1最大，s2最大，s3最大。若s1最大，则vm，vn选为vnum，vnum+1，且d1＝dnum+d0/2，d2＝dnum+1+d0/2；若s2最大，则vm，vn选为vnum，v0，且d1＝dnum+dnum+1/2，d2＝d0+dnum+1/2；若s3最大，则vm，vn选为vnum+1，v0，且d1＝dnum+1+dnum/2，d2＝d0+dnum/2。

作为优选，步骤7中所述基于第一作用的电压矢量和第二作用的电压矢量及其占空比发出开关信号控制pwm整流器：

给定kts时刻作用的两个电压矢量vm，vn及vm的占空比d1，vn的占空比d2后，然后基于svpwm算法确定vm，vn的作用次序及相应作用时间，发出pwm信号控制pwm整流器。

本发明优化了传统双矢量模型预测直接功率控制中的双矢量的选择过程和占空比的计算过程，降低了控制算法的计算时间和计算复杂度。

附图说明

图1：为本发明算法流程图；

图2：为三相两电平整流器电压矢量图；

图3：为三相电网电压；

图4：为输出有功值和新型无功值；

图5：为三相电网电流；

图6：为a相电网电流fft结果；

图7：为a相电网电压和电流值。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中，为了验证所提控制算法的有效性，本发明搭建了不平衡电网条件下的pwm整流器系统，其特征在于，包括包括：三相交流电网、三相滤波电感、三相电压传感器、三相电流传感器、直流电压传感器、主控制器、三相pwm整流器、直流侧电容、直流侧负载；

所述三相交流电网与所述三相电压传感器通过导线连接；所述三相交流电网与所述三相电流传感器通过导线连接；所述直流侧电容与所述直流电压传感器通过导线连接；所述主控制器分别与所述的三相电压传感器、三相电流传感器、直流电压传感器通过导线依次连接；所述的三相交流电网、三相滤波电感、三相pwm整流器、直流侧电容、直流侧负载依次串联连接；主控制器通过采样三相交流电网的电压和电流值，直流侧电容电压值，发出开关信号控制pwm整流器。

所述三相交流电网选型为tsgc-9kva，不平衡电网电压中正序电压幅值v⁺设置为100v，负序电压幅值v^—设置为10v，频率为50hz；所述三相滤波电感选型为gt-lor-0012；所述三相电压传感器选型为zmpt107；所述三相电流传感器选型为zmct101b；所述直流电压传感器选型为hcpl7840；所述主控制器选型为tms320f28069；所述三相pwm整流器由六个igbt组成，igbt选型为2mbi200u4h-170-50；所述直流侧电容选型为2000uf的电解电容；所述直流侧负载选型为50ω，1kw的rxhg电阻。

本发明所提通用型模型预测优化控制方法流程图如图1所示，图2为三相两电平整流器电压矢量图。

下面结合图1至图7介绍本发明的具体实施方式为以下步骤：

步骤1：采样三相电网电压、三相电网电流以及直流侧电容电压；

步骤1中所述三相电网电压为：正序电压幅值v⁺设置为100v，负序电压幅值v^—设置为10v；

通过所述三相电压传感器采集所述三相电网电压；

a相电网电压为ea,b相电网电压为eb,c相电网电压为ec；

通过所述三相电流传感器采集所述三相电网电流；

步骤1中所述三相电网电流为步骤1中所述三相电网电流为中间变量，该量取决于三相电网电压，给定的有功功率参考值，和给定新型无功功率参考值；

a相电网电流为ia,b相电网电流为ib,c相电网电流为ic；

步骤1中所述直流侧电容电压为中间变量，该量取决于三相电网电压，给定的有功功率参考值，给定的新型无功功率参考值，和直流侧负载；

通过所述直流电压传感器采集所述直流侧电容电压；

直流侧电容电压为udc；

将所述的三相电网电压、三相电网电流以及直流侧电容电压传输至所述主控制器tms320f28069；

步骤2：主控制器利用clarke变换分别将三相电网电压、三相电网电流的abc坐标系转换到αβ坐标系下进行分析；

步骤2中所述主控制器利用clarke变换将三相电网电压的abc坐标系转换到αβ坐标系下为：

步骤2中所述利用clarke变换将三相电网电流的abc坐标系转换到αβ坐标系下为：

其中，eα为三相电网电压对应到α轴上的电网电压值，eβ为三相电网电压对应到β轴上的电网电压值，iα是三相电网电流对应到α轴上的电网电流值，iβ是三相电网电流对应到β轴上的电网电流值；

将eα,eβ分别延时1/4个电网周期后得到e'α,e'β，即：

e'α＝eα(t-t/4)

e'β＝eβ(t-t/4)

其中，t是当前时间，t是电网的周期，t＝0.02s，e'α为延时后α轴上的电网电压值，e'β为延时后β轴上的电网电压值；

步骤3：基于扩展功率理论计算当前时刻的有功功率值和新型无功功率值；

步骤3中采用扩展功率理论。扩展功率理论与传统功率理论的有功定义相同，而无功定义不同。为了解决交流侧电流畸变问题，传统功率理论需要添加功率补偿项，而扩展功率理论则无需添加功率补偿项，这极大的降低了算法复杂度。

步骤3中所述控制周期为ts＝78.125μs；

步骤3中所述基于扩展功率理论计算当前时刻的有功功率值为：

计算出kts时刻的有功功率值p^k，即：

步骤3中所述基于扩展功率理论计算当前时刻的新型无功功率值为：

计算出kts时刻的新型无功功率值即：

其中，eα^keα是eα在kts时刻的采样值，eβ^k是eβ在kts时刻的采样值，iα^k是iα在kts时刻的采样值，iβ^k是iβ在kts时刻的采样值，是e'α在kts时刻的采样值，是e'β在kts时刻的采样值；

步骤4：基于无差拍控制求出参考电压矢量；

步骤4中所述基于无差拍控制求出参考电压矢量具体为：

假设在kts时刻，采用参考电压矢量作用条件下，(k+1)ts时刻的有功误差值和无功误差值为0，现将kts时刻的该参考电压矢量记为则有：

其中，p^ref是有功功率的参考值，是新型无功功率的参考值，且p^ref和由用户自行给定，l是所述三相滤波电感的电感值，r是所述三相滤波电感的寄生电阻值，ω是电网频率值，且本发明中l＝12mh，r＝0.5ω，ω是电网频率值，ω＝314rad/s，是对应到α轴上的电压值，是对应到β轴上的电压值；

步骤5：基于参考电压矢量确定第一备选的非零电压矢量、第二备选的非零电压矢量以及第一备选的零电压矢量，并计算第一备选的非零电压矢量占空比、第二备选的非零电压矢量占空比以及第一备选的零电压矢量占空比；

步骤5中所述基于参考电压矢量确定第一备选的非零电压矢量、第二备选的非零电压矢量以及第一备选的零电压矢量具体为：

三相两电平整流器共有6个开关，现在用(sa,sb,sc)代表a,b,c三相各桥臂的开关状态；

sa＝1时表示a相上管导通、下管关断，sa＝0时表示a相上管关断、下管导通；sb＝1时表示b相上管导通、下管关断，sb＝0时表示b相上管关断、下管导通；sc＝1时表示c相上管导通、下管关断，sc＝0时表示c相上管关断、下管导通；

三相两电平逆变器总共有8个电压矢量，即：

(sa,sb,sc)∈{(0,0,0),(1,0,0),(1,1,0),(0,1,0),(0,1,0),(0,1,1),(0,0,1),(1,0,1),(1,1,1)}；

步骤5中所述六个非零电压矢量记为：

v1＝(1,0,0),v2＝(1,1,0),v3＝(0,1,0),v4＝(0,1,1),v5＝(0,0,1),v6＝(1,0,1)；

步骤5中所述两个零电压矢量记为：

v0＝(0,0,0),v7＝(1,1,1)；

步骤5中首先判断vref^k所在扇区，具体判断公式为，

num＝floor(θ/(π/3))+1

其中，num为所在扇区编号，θ是与v1的逆时针夹角；

当位于第num个扇区时，第一备选的非零电压矢量为vnum；第二备选的非零电压矢量为vnum+1，若num+1等于7，此时选择第二备选的非零电压矢量为v1；第一备选的零电压矢量为v0；

步骤5中所述计算第一备选的非零电压矢量占空比、第二备选的非零电压矢量占空比以及第一备选的零电压矢量占空比，具体为：

计算vnum，vnum+1，v0的占空比，具体计算公式为，

d0＝1-dnum-dnum+1

其中γ是与vnum的夹角，dnum是vnum的占空比，dnum+1是vnum+1的占空比，d0是v0的占空比。

步骤6：基于第一备选的非零电压矢量及其占空比，第二备选的非零电压矢量及其占空比，第一备选的零电压矢量及其占空比确定第一作用的电压矢量，第二作用的电压矢量，并计算第一作用的电压矢量占空比以及第二作用的电压矢量占空比；

步骤6中所述计算第一作用的电压矢量占空比以及第二作用的电压矢量占空比具体为：

计算vnum与vnum+1的占空比之和s1，vnum与v0的占空比之和s2，vnum+1与v0的占空比之和s3；

s1＝dnum+dnum+1

s2＝dnum+d0

s3＝dnum+1+d0

假设kts时刻第一作用的电压矢量为vm，第二作用的电压矢量为vn，且vm的占空比为d1，vn的占空比为d2。比较s1，s2和s3的值，求出s1，s2和s3的最大值，此时存在三种情况，分别是s1最大，s2最大，s3最大。若s1最大，则vm，vn选为vnum，vnum+1，且d1＝dnum+d0/2，d2＝dnum+1+d0/2；若s2最大，则vm，vn选为vnum，v0，且d1＝dnum+dnum+1/2，d2＝d0+dnum+1/2；若s3最大，则vm，vn选为vnum+1，v0，且d1＝dnum+1+dnum/2，d2＝d0+dnum/2。

步骤7：基于第一作用的电压矢量和第二作用的电压矢量及其占空比发出开关信号控制pwm整流器。

步骤7中所述基于第一作用的电压矢量和第二作用的电压矢量及其占空比发出开关信号控制pwm整流器：

给定kts时刻作用的两个电压矢量vm，vn及vm的占空比d1，vn的占空比d2后，然后基于svpwm算法确定vm，vn的作用次序及相应作用时间，发出pwm信号控制pwm整流器。

算法首先采样网侧三相电压和三相电流，和直流侧电容电压，接着根据扩展功率理论计算当前时刻的有功功率值和新型无功功率值，然后基于无差拍控制计算参考电压矢量，通过判断参考电压矢量所在扇区，确定第一备选的非零电压矢量，第二备选的非零电压矢量，第一备选的零电压矢量及上述三个电压矢量的占空比，其次计算第一备选的非零电压矢量和第二备选的非零电压矢量的占空比之和，第一备选的非零电压矢量和第一备选的零电压矢量的占空比之和，第二备选的非零电压矢量和第一备选的零电压矢量的占空比之和，比较并得到上述三个占空比之和的最大值，最后记录占空比之和的最大值所对应的矢量组合，确定第一作用的电压矢量和第二作用的电压矢量，并重新计算该矢量组合中的两个电压矢量的占空比，发出开关信号控制pwm整流器。本发明降低了控制算法计算时间和计算复杂度。

为了验证本发明所提算法，本发明首先搭建了仿真模型，其中三相不平衡电网电压的正序电压v⁺设置为100v，负序电压v^-设置为10v，电压不平衡度ε＝10/100＝0.1，三相电压波形如图3所示。有功功率的参考值和新型无功功率的参考值在0.3s时发生了一个阶跃变化，其中有功功率参考值由2000w变为3000w，新型无功功率参考值始终保持为0。图4中给出了具体的有功和新型无功的跟踪效果，其中有功功率的响应时间为0.0003s，无功功率始终保持在0附近，体现了所提算法的快速性。另外，有功纹波和新型无功纹波均较小，体现了控制算法具有较高的控制精度。为了验证所提算法能够有效解决不平衡电网下pwm整流器网侧电流畸变问题，图5中给出了三相电流波形，图6中给出了a相电流的fft结果，其中，从图5中可以看出三相电流不平衡，且各相电流保持正弦；从图6中可以看出a相电流畸变较小，满足标准。图7中给出a相电压和a相电流，可以看出a相电压和a相电流保持单位功率因数。

尽管本说明书较多地使用了三相交流电网、三相滤波电感、三相电压传感器、三相电流传感器、直流电压传感器、主控制器、三相pwm整流器、直流侧电容、直流侧负载等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。